另外右卫大将军李大亮为灵州道行军总管，领兵四万、精骑五千驻守灵武；右屯卫大将军张士贵为庆州道行军总管，率两万人出兵云中；凉州都督李袭誉为凉州道行军总管，率兵三万包抄薛延陀西部。
数面出击的大唐军队将薛延陀大军三面围住，但却并不急于反攻，而是以固守为主的政策，与薛延陀消耗时间。薛延陀这次主要是为了解决大风雪带来的物匮乏，可是现在被唐军拖在原地，不但无法抢掠，而且每天还要消耗大量的物资，这让薛延陀大军根本消耗不起。
在这种情况下，薛延陀统帅大度设果断做出决定，带领三十万大军返回漠北，毕竟他们在前段时间已经抢掠了不少草原部落，虽然南方的汉人更富有，但是被李绩的大军阻隔，根本就冲不过去，因此与其在这里消耗物资，还不如见好就收。
不过李绩却并不打算这么放过薛延陀，而是沿着对方的撤退路线一路追击，最后更是派出六千精锐骑兵，抄近道度过白道川，在青山下阻断了薛延陀的撤退路线。大度设无奈之下，只得在诺真水摆开战阵，准备与唐军一决胜负。
面对这种情况，李绩亲率大军与大度设展开决战，最开始是由李绩下属的突厥人与对方交战，但是却首战不利，突厥人被杀的大败，后来李绩的大军赶到，正面与薛延陀展开一场血战。
本来大度设以为三十万对六万唐军，肯定是必胜之局，但是没想到的是，唐军竟然放弃马匹，然后排着紧密整齐的队形，后方有火炮策应，打乱对方的骑兵队形，然后以手雷等火器近距离杀伤，当短兵相接时，又以长长的马槊应敌。
在这种火器与冷兵器相结合的战法下，薛延陀的三十万大军竟然发挥不出人数的优势，一时间两军僵持不下，战场呈现一种胶着状态。而李绩能凭借着六万步兵与对方的三十万骑兵杀的难解难分，也的确不愧是一代名将。（史实记载，李绩以六万步兵杀的二十万薛延陀骑兵连连后退，当时还没有火器的加入，可以说是冷兵器时代的一个奇迹。）
而就在两方杀的能解难分之时，副帅薛万彻率领的五千精骑绕过战场，忽然从薛延陀大军的背后杀入，这支奇兵的加入，让薛延陀大军的军心不稳，而李绩也抓住时机，指挥大军全力攻击，结果使得薛延陀兵败如山倒，其中战死一万，七万人被俘，另外还有不少军队被打散，大度设逃出去后，只收拢了不到二十万军队，史称诺真水之战。
诺真水之战是大唐与薛延陀战争中的转折点，在强大的后勤保证下，张俭和张士贵、李袭誉各率大军，从东西两方抄了大度设的后路，切断了薛延陀大军与后方的联系。
薛延陀汗国这次是倾巢而出，绝大部分青壮都已经加入军中，所以根本无力援救，最后大度设的二十万残军退无可退，进又有强敌阻击，最后在粮草耗尽之时，终于向大唐投降。
另外张俭在与张士贵的大军汇合后，亲率一支骑兵杀入薛延陀汗国，结果内部空虚的薛延陀被张俭搅的是天翻地覆，汗王夷男虽然气的暴跳如雷，但却没有任何办法，而当大度设投降的消息传到他的耳中后，这位将薛延陀带上顶峰的汗王竟然气的吐血三升，最后一病不起，十几天后呕血而亡。
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